[发明专利]基于多频加权频差的多介质分离成像方法

说明书

本发明涉及一种基于多频加权频差的多介质分离成像方法，将电学层析成像问题看做一个线性不适定问题Ax＝b，其中A为灵敏度矩阵，b为相对边界测量值向量，x为与场域物质电特性分布对应的成像灰度值向量，称其为解向量，利用多个频率下的边界电压测量值的复合加权差进行计算，获得场域中每种介质对应的边界信息，利用逆问题求解方法进行求解，最后根据所求解x完成图像重建。

技术领域

本发明属于电学层析成像技术领域，涉及利用多个激励频率下的边界测量值进行成像的多频EIT方法。

背景技术

电学层析成像技术(Electrical Tomography，ET)是层析成像技术的一种，包括电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)、电阻层析成像(ElectricalResistance Tomography，ERT)、电磁层析成像(Electromagnetic Tomography，EMT)和电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)。电学层析成像技术是基于对被测敏感场域的电学参数测量，实现场域内部参数分布重建的技术，其研究对象涵盖了电导率、电容率、磁导率等主要电磁参数，具有非侵入、低成本、无辐射、速度快的优点。目前广泛应用于医学成像、工业过程成像和地球物理学测量等领域。

多频EIT通过给被测场域注入已知的多个频率的激励电流，测量边界电极上的电压响应重建场域内的电学参数分布。由于组织的电导率对激励电流的频率依赖性与其状态极为相关，因此可以通过组织电导率的频率依赖性来获取一些关于组织的微观结构以及生理病理状况等方面的信息。与传统时差法(利用场域介质变化前后、不同时刻场域的边界测量值求差)相比，多频EIT成像无需健康组织的标定信息，在疾病的预防和早期诊断方面具有重要的应用价值。

早期人们将差分成像思想应用于多频EIT成像领域，利用两个或两个以上频率下的边界电压直接作差的差值进行图像重建，称为简单频差法，原理简单且易于实现，在多频EIT领域应用广泛，但当背景介质的电特性随激励频率的变化而变化时，边界测量值中会包含背景电特性变化造成的误差，成像精度不高。2008年，韩国庆熙大学的Seo和Woo等人对简单频差法进行了改进，提出了加权频差法。利用两种激励频率下的边界电压测量值的加权差重建场域内各个像素点的电导率的加权差，提高了重建精度。2009年，Seo等人又提出了基于等效均匀导纳思想的加权频差法，有效减少了背景介质电导纳随频率变化对边界测量值造成的影响。2010年，Woo和Harrach等人提出了利用因子分解的多频EIT算法，主要用于肿瘤和急中风的临床检测。2011年，Ann和Woo等人首次在三维域半球中验证了加权频差法的可行性。2015年，Seo等人又针对高对比度非均匀背景中的异常物检测进行了深入研究，采用多个激励频率下的边界电压测量值的复合加权差去除非均匀背景的影响，并从目标物检测的层面给出了仿真验证。

上述加权频差法的改进过程均将内含物作为目标物进行检测，然而当场域中包含多种介质时，有一些情况下需要得到其中每一种介质的信息，为了拓展多频EIT加权频差法的应用，需要进行改进。

发明内容

本发明的目的在于对加权频差算法进行改进，针对包含多种介质且每种介质的电导率会随频率的变化而变化的场域，能够利用多个激励频率下的边界测量值信息重建出场域内每种介质的独立图像。本发明的技术方案如下：

一种基于多频加权频差的多介质分离成像方法，将电学层析成像问题看做一个线性不适定问题Ax＝b，其中A为灵敏度矩阵，b为相对边界测量值向量，x为与场域物质电特性分布对应的成像灰度值向量，称其为解向量，利用多个频率下的边界电压测量值的复合加权差进行计算，获得场域中每种介质对应的边界信息，利用逆问题求解方法进行求解，最后根据所求解x完成图像重建。步骤如下：

(1)根据对被测场域的测量，获取重建所需的不同激励频率下的边界测量值向量和灵敏度矩阵A；

(2)初始化：解的初值x₀＝0,迭代次数N,正则化系数λ；